JP4687944B2 - 溶接用エアサーボガンシリンダ及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接用エアサーボガンシリンダ及びその制御方法に関するものであり、更に具体的には、ワーククランプ時の衝撃を緩和し、しかも、クランプしたワークを短時間で加圧できるようにしたエアサーボガンシリンダ及びその制御方法に関するものである。

従来の溶接ガンにおいて、通常のエアシリンダを用いたクランプ機構によって溶接ワークをクランプする際には、溶接チップがワークに衝突して変形させることがあり、これが溶接不良の原因となる。そこで、溶接用エアサーボガンシリンダにより、ワーククランプ時の衝撃緩和及びクランプ後の短時間での加圧による溶接時間の短縮のため、シリンダにエアクッション機構を付設したり、そのシリンダの駆動回路に切替え弁や急速排気弁を設けることにより、エアシリンダに適切な動作を行わせるようにしている。

しかしながら、上記エアシリンダに付設するエアクッション機構では、特定の位置（ストロークエンド）でしかクッション作用を発揮させることができず、多点でのクランプを行う場合、つまりワークの厚さが変わってクランプ位置が一定でない場合には、エアクッションによる衝撃緩和を行うことができない。また、サーボ弁以外にエアクッションや切替え弁、急速排気弁を設けると、大型・大重量・高価・短寿命・低信頼性などの問題があった。
また、本発明者らは、５ポートのサーボ弁でエアシリンダを駆動することを試みたが、それによって加圧力を制御するためには、別に圧力制御弁が必要になり、大型化やコストを低減することが困難になると言う問題があった。

本発明の技術的課題は、溶接対象物の変形を避けるため、ワークのクランプ時における衝撃を緩和し、しかも、クランプしたワークを短時間に適切な力で加圧できるようにしたエアサーボガンシリンダ及びその制御方法を提供することにある。
また、本発明の他の技術的課題は、クランプ動作開始時にピストンが動き出すまでの遅れ時間を短縮でき、消費圧縮空気量を節約することができるようにしたエアサーボガンシリンダ及びその制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の溶接用エアサーボガンシリンダの制御方法は、溶接ガンを構成する加圧シリンダと、この加圧シリンダの内部を摺動するピストン及び該ピストンに連結されたピストンロッドと、上記加圧シリンダ内部の上記ピストンで区画されたヘッド側圧力室及びロッド側圧力室への圧縮空気の給排を独立して制御するサーボ弁と、上記両圧力室の圧力をそれぞれ検出する圧力センサと、上記ピストンの動作位置を検出する位置センサと、上記加圧センサ及び位置センサからの検出信号が入力され、それに基づいて上記両サーボ弁に制御信号を出力するコントローラとを備えた溶接用エアサーボガンシリンダを制御する方法であって、クランプのための位置決め動作に際し、ヘッド側サーボ弁を、ヘッド側圧力室の圧力を次第に目標圧力に近づける圧力制御し、ロッド側サーボ弁をピストンの現在位置とクランプ位置との偏差△Ｘに比例した入力信号（ａ・△Ｘ：ａは常数）に対応する開度とすることにより、ピストンがクランプ位置に近づくにつれてその速度を滑らかに減速させることを特徴とするものである。

本発明の制御方法の好ましい実施形態においては、ピストンがクランプ位置に近づくことによって設定位置（Ｘｃ）に達したときから、ロッド側サーボ弁への入力信号をそのときの一定値に固定してクランプをワークへ接触させるように制御される。

また、ピストンがクランプ位置に達した後、コントローラにおいて圧力センサからの加圧シリンダの両圧力室内の圧力を監視し、ヘッド側圧力室の圧力がロッド側圧力室の圧力よりも大きくなった時点で、ロッド側サーボ弁を排気側に全開にすることにより、ロッド側圧力室内の圧縮空気を急速に排気させる。
この場合、ピストンがクランプ位置に達した後、ロッド側圧力室の圧縮空気が排出されるまでの間、ヘッド側圧力室を目標圧力に対して昇圧させ、該ヘッド側圧力室の圧力とロッド側圧力室の圧力との差が所期のシリンダ推力になるように制御することにより、所期のシリンダ推力に達するまでの時間を短縮することができる。

更に、本発明においては、ピストンを任意の位置に位置決め停止させる段階で、加圧シリンダの両側圧力室内の圧力をワークのクランプ時におけるヘッド側圧力室の圧力よりも低い圧力とすることができる。これにより、クランプ動作開始時にピストンが動き出すまでの遅れ時間を短縮でき、消費圧縮空気量を節約することができる。

一方、本発明にかかる溶接用エアサーボガンシリンダは、溶接ガンを構成する加圧シリンダと、この加圧シリンダの内部を摺動するピストン及び該ピストンに連結されたピストンロッドと、上記加圧シリンダ内部の上記ピストンで区画されたヘッド側圧力室及びロッド側圧力室への圧縮空気の給排を独立して制御するサーボ弁と、上記両圧力室の圧力をそれぞれ検出する圧力センサと、上記ピストンの動作位置を検出する位置センサと、上記加圧センサ及び位置センサからの検出信号が入力され、それに基づいて上記両サーボ弁に制御信号を出力するコントローラとを備え、上記コントローラにおける制御が上記方法を実施する制御であることを特徴とするものである。

上記溶接用エアサーボガンシリンダ及びその制御方法によれば、従来のガンシリンダに比べて高速で、かつスポット溶接に適した駆動が可能となり、特に、３ポートのサーボ弁を加圧シリンダのヘッド側及びロッド側圧力室に独立に接続することによって、以下に詳述する位置決め制御・圧力制御・エアクッション・急速排気・急速加圧等の全てを容易に制御することができる。

以上に詳述した本発明の溶接用エアサーボガンシリンダ及びその制御方法によれば、溶接対象物の変形を避けるため、ワークのクランプ時における衝撃を緩和し、しかも、クランプしたワークを短時間に適切な力で加圧できるようにしているので、溶接不良を減らして、溶接部分の品質向上を実現することができ、しかも、低衝撃になることから、ワークを保持する治具等を簡素化・小型化することができる。
また、クランプ動作開始時にピストンが動き出すまでの遅れ時間を短縮でき、消費圧縮空気量も節約できるので、生産性を改善することができ、更に、加圧シリンダにエアクッション機構や切替え弁、急速排気弁を設ける必要がなく、小型・軽量・低価格・長寿命・高信頼性等の点で有利なものとなる。

図１は、本発明に係るシリンダ制御方法を実施するための溶接用エアサーボガンとその制御システムの構成例を示している。
図１に示すエアサーボガンの制御システムにおいては、溶接ガンを構成する加圧シリンダ１０と、この加圧シリンダ１０のヘッド側圧力室１１の圧縮空気を制御するヘッド側サーボ弁２０と、ロッド側圧力室１２の圧縮空気を制御するロッド側サーボ弁３０と、これらに制御信号を出力するコントローラ４０と、外部から上記コントローラ４０に指令を与える外部コントローラ５０とを備え、上記コントローラ４０によりエアサーボガンが所望の状態に制御されるものである。

上記加圧シリンダ１０は、シリンダチューブ１３と、これに摺動自在に嵌挿されたピストン１４と、該ピストン１４に連結されたピストンロッド１５とを備え、該ピストンロッド１５によりワークのクランプを行うものである。シリンダチューブ１３は密閉された筒体であり、ピストン１４を挟んでそのヘッド側の圧力室１１とロッド側圧力室１２とを備えている。ピストンロッド１５はシリンダチューブ１３を密閉状に貫通して外部に延出している。このピストンロッド１５の外部に延出した端部には図示しない溶接ガンの一方の電極部材が装着される。

ヘッド側圧力室１１は、ヘッド側サーボ弁２０から流路２２を通して給排される圧縮空気によりピストン１４を駆動するためのものであり、この圧力室１１にその室内の圧力を検出するヘッド側圧力センサ２３を備え、また、このヘッド側圧力室１１には、ヘッドカバー側からピストン１４内に挿入されて該ピストン１４の駆動位置を検知する位置検出センサ２５のプローブ２６が設けられている。上記ヘッド側圧力センサ２３と位置検出センサ２５とはそれぞれその出力がコントローラ４０に出力される。
一方、ロッド側圧力室１２は、ロッド側サーボ弁３０から流路３２を通して給排される圧縮空気によりピストン１４を駆動するためのものであり、この圧力室１２にその室内の圧力を検出するロッド側圧力センサ３３を備えている。ロッド側圧力センサ３３の出力もコントローラ４０に出力される。

上記ヘッド側サーボ弁２０及びロッド側サーボ弁３０は、圧縮空気の供給源４１からの圧縮空気を導入する給気ポートと、それを出力する出力ポートと、それを排出する出力ポートとを有する３ポート弁で、このサーボ弁は、コントローラ４０からの出力信号に応じて各ポートを適宜連通させ、制御された圧縮空気を流すものである。両サーボ弁は、実質的に同じ構成を有するものである。

コントローラ４０は、マイクロプロセッサーを内蔵して、ヘッド側及びロッド側圧力センサ２３，３３と、位置検出センサ２５との検出値等が入力される。また、コントローラ４０には、あらかじめピストン１４の動作態様や複数の中間停止位置等の設定値が記憶されている。そして、外部コンピュータ５０から入力される「中間停止」、「クランプ」及び「加圧力負荷」等の溶接の実施を指令する指令信号に基づいて、前記の検出値と設定値とを比較し、加圧シリンダ１０が所定の動作を実現するように、ヘッド側サーボ弁２０とロッド側サーボ弁３０とに駆動信号が出力される。
なお、図中２４，３４はサーボ弁２０，３０から圧力室に至る流路２２，３２に設けた圧力センサである。

次に、上記コントローラ４０の機能及び該コントローラによるエアサーボガンシリンダの制御方法について説明する。
上記溶接用エアサーボガンシリンダの制御においては、基本的には、加圧シリンダ１０における圧力室１１，１２内の圧力を圧力センサ２３，３３で検出し、またピストン１４の位置を位置センサ２５で検出し、コントローラ４０によりサーボ弁を制御して上記圧力室１１，１２のそれぞれにおける圧力を適切に調整することで、溶接ガンの加圧力（クランプ力）が正確に制御され、溶接品質の向上が図られる。この場合に、加圧シリンダ１０のヘッド側圧力Ｐｈ及びロッド側圧力Ｐｒの両方を検出するため、以下に詳述するように正確なシリンダ推力（Ｐｈ−Ｐｒ）を検出し、それを付与することができる。

また、上記シリンダの制御においては、エアサーボクッションを採用し、即ち、加圧シリンダ１０におけるピストン１４の位置・速度を位置センサ２５で、圧力室１１，１２内の圧力を圧力センサ２３，３３で検出して、コントローラ４０に入力し、該コントローラ４０からサーボ弁２０，３０にそれらを駆動するための信号を出力することによって、ピストン１４の位置と圧力室１１，１２の圧力を制御できるようにし、ワークに対して溶接チップが衝突して衝撃を与えるのを緩和するようにしている。この場合に、上記サーボ弁２０，３０を使用してクッション機能を発揮させるので、上記衝撃緩和のために特別な機構を必要とせず、加圧シリンダ１０及びクッション機能を付与するための周辺機器の設置スペース・重量の削減を可能にするものである。

以下に、図２以下に示すタイムチャートに基づき、上記エアサーボガンシリンダの制御方法及びその動作について説明する。
図２の（Ａ）は、加圧シリンダ１０の任意の停止位置から、クランプ動作を行う場合の両サーボ弁２０，３０に印加される入力信号を、同図（Ｂ）は、ピストンストロークを、同図（Ｃ）は加圧シリンダにおけるヘッド側及びロッド側の圧力室１１，１２における圧力を示している。

図２に基づいて上記ガンシリンダの基本動作について説明すると、先ず、時刻ｔ１において、図２（Ａ）に示すように、ヘッド側サーボ弁２０に曲線Ｖｈで示す入力信号が印加されて、該サーボ弁２０の給気側が全開またはそれに近いところまで開放され、一方、ロッド側サーボ弁３０には曲線Ｖｒで示す入力信号が印加されて、該サーボ弁３０の排気側が全開される。

そのため、同図（Ｂ）に示すように、ある任意の停止位置（Ｘａ）にあったピストン１４が、その位置から目標位置Ｘｔであるワークのクランプ位置（Ｘｏ）へ向けて駆動される。
なお、ヘッド側及びロッド側圧力室１１，１２における圧力は、同図（Ｃ）に示すように、一旦はヘッド側圧力室１１の圧力Ｐｈがロッド側圧力室１２の圧力Ｐｒよりも高くなるが、それに伴ってピストン１４が移動してロッド側圧力室１２の空気を圧縮するので、両圧力は複雑に変化する。

上述したようにピストン１４を駆動し、クランプのために位置決め動作させる場合に、ヘッド側サーボ弁２０を図示のように圧力制御し、ロッド側サーボ弁３０については、ピストンの現在位置Ｘとワークのクランプ位置Ｘｏとの偏差（△Ｘ＝Ｘ−Ｘｏ）に比例した入力信号（ａ・△Ｘ：但しａは常数）に対応するサーボ弁開度を保つことにより、ワークのクランプ位置に近づくにつれて、シリンダのピストン速度を滑らかに減速させることができる。
なお、ヘッド側サーボ弁２０の開度も上記偏差△Ｘに応じて低減させる必要がある。

ピストン速度が十分に減速され、かつ、ピストンがワークのクランプ位置へ十分に近づくことにより、設定位置（Ｘｃ）に達したときからは、ロッド側のサーボ弁３０のサーボ弁開度（△Ｖ）を微小な一定値に固定することで、クランプ用部材を一定かつ低速でワークへ接触させることができる。

ピストン１４がクランプ位置に達し、クランプ用部材がワークに接触した後には、コントローラ４０において圧力センサ２３，３３から出力される加圧シリンダ１０の両圧力室１１，１２内の圧力の信号を監視し、図３に示すように、ヘッド側圧力室１１の圧力Ｐｈがロッド側圧力室１２の圧力Ｐｒよりも大きくなった時点で、一定サーボ弁開度（△Ｖ）に固定されていたロッド側サーボ弁３０を排気側に全開にすることにより、ロッド側圧力室１２内の圧縮空気を急速に排気する。これにより、ロッド側サーボ弁３０に一定の開度（△Ｖ）を保持させる場合（点線で示す圧力Ｐｒ′）に比して、規定のシリンダ推力Ｐｆに基づいてクランプ力が得られるまでの時間を可及的に短縮し、図示の例では時間ｔｓだけ短縮することができる。

ピストン１４がクランプ位置に達し、クランプ用部材がワークに接触した後には、ロッド側圧力室１２内の圧縮空気（圧力Ｐｒ）が排出されるまでの間、図４の（Ｃ）に示すように、ヘッド側圧力室１１を昇圧させ、該ヘッド側圧力室１１の圧力Ｐｈとロッド側圧力室１２の圧力Ｐｒとの差（Ｐｈ−Ｐｒ）が所期のシリンダ推力を得るための圧力差Ｐｆになるように制御することにより、所期のシリンダ推力に達するまでの時間を時間ｔｓだけ短縮し、クランプしたワークを急速加圧することができる。

また、ピストン１４を任意の位置に位置決め停止させる段階で、図５の（Ｃ）に示すように、加圧シリンダ１０の両側圧力室１１，１２内の圧力をワークのクランプ時におけるヘッド側圧力室の目標圧力Ｐｔよりも低い圧力、例えばＰｔ／２として制御するのが有利である。
これにより、クランプ動作開始時に、ピストン１４が動き出すまでの遅れ時間を短縮でき、また、消費空気圧量を節約することができる。具体的には、上記両圧力室１１，１２の圧力をＰｔ／２とした場合に、空気使用量が約１／２になることが試算できている。更に、シリンダ位置決め停止中、サーボ弁からのエアのリーク量も節約できる。

本発明に係るシリンダ制御方法を実施するための溶接用エアサーボガンとその制御システムの構成例を示す概要図である。 本発明の制御方法の一例を説明するためのタイムチャートである。 本発明の制御方法の他の一例を説明するためのタイムチャートである。 本発明の制御方法の他の一例を説明するためのタイムチャートである。 本発明の制御方法の更に他の一例を説明するためのタイムチャートである。

符号の説明

１０ 加圧シリンダ
１１ ヘッド側圧力室
１２ ロッド側圧力室
１４ ピストン
２０ ヘッド側サーボ弁
２３ ヘッド側圧力センサ
２５ 位置検出センサ
３０ ロッド側サーボ弁
３３ ロッド側圧力センサ
４０ コントローラ

Claims (6)

1. 溶接ガンを構成する加圧シリンダと、この加圧シリンダの内部を摺動するピストン及び該ピストンに連結されたピストンロッドと、上記加圧シリンダ内部の上記ピストンで区画されたヘッド側圧力室及びロッド側圧力室への圧縮空気の給排を独立して制御するサーボ弁と、上記両圧力室の圧力をそれぞれ検出する圧力センサと、上記ピストンの動作位置を検出する位置センサと、上記加圧センサ及び位置センサからの検出信号が入力され、それに基づいて上記両サーボ弁に制御信号を出力するコントローラとを備えた溶接用エアサーボガンシリンダを制御する方法であって、
   クランプのための位置決め動作に際し、ヘッド側サーボ弁を、ヘッド側圧力室の圧力を次第に目標圧力に近づける圧力制御し、ロッド側サーボ弁をピストンの現在位置とクランプ位置との偏差△Ｘに比例した入力信号（ａ・△Ｘ：ａは常数）に対応する開度とすることにより、ピストンがクランプ位置に近づくにつれてその速度を滑らかに減速させる、
   ことを特徴とする溶接用エアサーボガンシリンダの制御方法。
2. ピストンがクランプ位置に近づくことによって設定位置（Ｘｃ）に達したときから、ロッド側サーボ弁への入力信号をそのときの一定値に固定してクランプをワークへ接触させるように制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の溶接用エアサーボガンシリンダの制御方法。
3. ピストンがクランプ位置に達した後、コントローラにおいて圧力センサからの加圧シリンダの両圧力室内の圧力を監視し、ヘッド側圧力室の圧力がロッド側圧力室の圧力よりも大きくなった時点で、ロッド側サーボ弁を排気側に全開にすることにより、ロッド側圧力室内の圧縮空気を急速に排気する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の溶接用エアサーボガンシリンダの制御方法。
4. ピストンがクランプ位置に達した後、ロッド側圧力室の圧縮空気が排出されるまでの間、ヘッド側圧力室を目標圧力に対して昇圧させ、該ヘッド側圧力室の圧力とロッド側圧力室の圧力との差が所期のシリンダ推力になるように制御することにより、所期のシリンダ推力に達するまでの時間を短縮する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の溶接用エアサーボガンシリンダの制御方法。
5. ピストンを任意の位置に位置決め停止させる段階で、加圧シリンダの両側圧力室内の圧力をワークのクランプ時におけるヘッド側圧力室の圧力よりも低い圧力とする、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の溶接用エアサーボガンシリンダの制御方法。
6. 溶接ガンを構成する加圧シリンダと、この加圧シリンダの内部を摺動するピストン及び該ピストンに連結されたピストンロッドと、上記加圧シリンダ内部の上記ピストンで区画されたヘッド側圧力室及びロッド側圧力室への圧縮空気の給排を独立して制御するサーボ弁と、上記両圧力室の圧力をそれぞれ検出する圧力センサと、上記ピストンの動作位置を検出する位置センサと、上記加圧センサ及び位置センサからの検出信号が入力され、それに基づいて上記両サーボ弁に制御信号を出力するコントローラとを備え、
   上記コントローラにおける制御が、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法を実施する制御である、
   ことを特徴とする溶接用エアサーボガンシリンダ。

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